本發(fā)明涉及一種多星座接收機冷啟動可見星搜索方法，屬于衛(wèi)星導航技術領域。

背景技術：

多星座組合定位是綜合運用不同星座的衛(wèi)星幫助用戶實現(xiàn)定位，美國的gps、俄羅斯的glonass、歐盟的galieo、中國的北斗等，都可以提供有效的觀測信息。較之傳統(tǒng)的單星座定位，多星座組合定位多出成倍的觀測信息，這使得定位服務的可用性、可靠性和精度等性能能夠大幅提升。

在冷啟動的過程中，接收機需要完成一個三維搜索過程，三維的不確定度分別是可見星、多普勒頻移和碼相位。對于某個衛(wèi)星的多普勒頻移和碼相位的二維搜索過程，分為兩種情況。一種是衛(wèi)星不可見，那么接受機就會搜索整個二維空間的所有待檢測點；另一種是衛(wèi)星可見，接收機在搜索二維空間的過程中將找到一個待檢測點達到有效峰值，并開始跟蹤這顆可見星。已有大量文獻研究如何加快這個二維搜索過程，例如采用硬件并行、改進算法等方式。而對于可見星這一維的不確定度的搜索，相關文獻較少。不論是快速的捕獲信號(二維搜索)，還是快速的確定可見星，都有利于減少冷啟動耗時，并且這兩者緊密聯(lián)系、相互影響。

傳統(tǒng)的冷啟動的定義是時間、用戶粗略位置、星歷、歷書皆未知，而如今一般情況下，時間與歷書往往是已知并可用的，但用戶粗略位置、星歷未知，這樣的啟動條件仍然存在三維的不確定度，是一種新的冷啟動條件。針對這種新的冷啟動條件，需要提出一種新的多星座接收機冷啟動可見星搜索算法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種多星座接收機冷啟動可見星搜索方法，克服了多星座接收機冷啟動耗時過長的問題。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種多星座接收機冷啟動可見星搜索方法，包括如下步驟：

步驟1，根據(jù)已知的衛(wèi)星分布，按照準則構建初始衛(wèi)星組并搜索初始衛(wèi)星組中的可見星；如果未搜索到，則按準則構建新的初始衛(wèi)星組，直至成功搜索到第一顆可見星；根據(jù)第一顆可見星剔除理論不可見星；

步驟2，根據(jù)步驟1搜索到的第一顆可見星，按照構建邊緣衛(wèi)星組的方法構建第一顆可見星的邊緣衛(wèi)星組，并且在邊緣衛(wèi)星組中搜索可見的邊緣衛(wèi)星，根據(jù)可見的邊緣衛(wèi)星剔除理論不可見星；

步驟3，根據(jù)可見的邊緣衛(wèi)星逐個進行外延搜索，邊緣衛(wèi)星組中除可見的邊緣衛(wèi)星之外，剩余為不可見的邊緣衛(wèi)星，根據(jù)不可見的邊緣衛(wèi)星逐個進行內(nèi)縮搜索，得到除第一顆可見星、第一顆可見星的邊緣衛(wèi)星組、步驟1剔除的理論不可見星、步驟2剔除的理論不可見星之外，所有剩余衛(wèi)星中的部分可見星；根據(jù)得到的部分可見星剔除理論不可見星；

步驟4，根據(jù)步驟1、步驟2、步驟3得到的可見星以及步驟1、步驟2、步驟3剔除的理論不可見星，在剩余的衛(wèi)星中搜索理論可見星，從而完成冷啟動。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟1所述準則為：1)從以地心為體心的正六面體的八個頂點中，找到構成正四面體的四個頂點，選擇四顆衛(wèi)星構建初始衛(wèi)星組，這四顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與上述四個頂點對應的空間向量的夾角最小；2)如果上述四顆衛(wèi)星中未搜索到可見星，則以八個頂點中余下的四個頂點構建新的初始衛(wèi)星組，新的初始衛(wèi)星組的四顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與余下的四個頂點對應的空間向量的夾角最??；3)如果新的初始衛(wèi)星組四顆衛(wèi)星中未搜索到可見星，則以正六面體的六個面心構建新的初始衛(wèi)星組，新的初始衛(wèi)星組的六顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與六個面心對應的空間向量的夾角最?。?)如果新的初始衛(wèi)星組六顆衛(wèi)星中未搜索到可見星，則以正六面體十二條棱的中點構建新的初始衛(wèi)星組，新的初始衛(wèi)星組的十二顆衛(wèi)星在ecef中的空間向量分別與十二條棱的中點對應的空間向量的夾角最??；上述四條準則存在先后次序，如果搜索到第一顆可見星，則結束構建；上述四條準則中用來找到初始衛(wèi)星組的空間向量共同旋轉相同的角度得到一系列新的空間向量，新的空間向量與原來的空間向量等效。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2所述構建邊緣衛(wèi)星組的方法具體為：設定步驟1搜索到的第一顆可見星的星下點為位置p，計算除第一顆可見星之外的其余所有衛(wèi)星在p當?shù)刈鴺讼抵薪邮招l(wèi)星信號的仰角，將其中最小的仰角作為開區(qū)間的下限，并設定開區(qū)間的上限，將在p當?shù)刈鴺讼抵械膶嶋H仰角位于該開區(qū)間內(nèi)的衛(wèi)星放入邊緣衛(wèi)星組，得到第一顆可見星的邊緣衛(wèi)星組。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟3所述根據(jù)可見的邊緣衛(wèi)星逐個進行外延搜索具體過程為：計算第一顆可見星到除第一顆可見星、第一顆可見星的邊緣衛(wèi)星組、步驟1剔除的理論不可見星、步驟2剔除的理論不可見星之外所有剩余衛(wèi)星的空間向量，記為di；設某個可見的邊緣衛(wèi)星對應的空間向量為d3，根據(jù)所有剩余衛(wèi)星的空間向量di與d3的夾角構建升序表，升序表中忽略|di|<|d3|的衛(wèi)星，對升序表從頭開始外延搜索，如果搜索結果為當前衛(wèi)星可見，則繼續(xù)搜索直至搜索結果為當前衛(wèi)星不可見；對每個可見的邊緣衛(wèi)星進行上述相同的操作。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟3所述根據(jù)不可見的邊緣衛(wèi)星逐個進行內(nèi)縮搜索具體過程為：計算第一顆可見星到除第一顆可見星、第一顆可見星的邊緣衛(wèi)星組、步驟1剔除的理論不可見星、步驟2剔除的理論不可見星之外所有剩余衛(wèi)星的空間向量，記為di；設某個不可見的邊緣衛(wèi)星對應的空間向量為d4，根據(jù)所有剩余衛(wèi)星的空間向量di與d4的夾角構建升序表，升序表中忽略|di|>|d4|的衛(wèi)星，對升序表從頭開始內(nèi)縮搜索，如果搜索結果為當前衛(wèi)星不可見，則繼續(xù)搜索直至搜索結果為當前衛(wèi)星可見；對每個不可見的邊緣衛(wèi)星進行上述相同的操作。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

本發(fā)明多星座接收機冷啟動可見星搜索方法，可用于降低冷啟動耗時。與現(xiàn)有的冷啟動可見星搜索算法相比，該方法不會因遮蔽情況而退化為全星搜索且保持高效，并基于新的冷啟動條件，充分運用先驗信息，從而使接受機更快速、穩(wěn)定地完成冷啟動。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種多星座接收機冷啟動可見星搜索方法的整體流程圖。

圖2是本發(fā)明剔除理論不可見星原理圖。

圖3是本發(fā)明構建邊緣衛(wèi)星組原理圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本方法的整體流程圖如圖1所示，已知時間、歷書，求得衛(wèi)星分布，第一階段構建初始衛(wèi)星組并搜索，第二階段構建邊緣衛(wèi)星組并搜索，第三階段外延、內(nèi)縮搜索，第四階段搜索剩余衛(wèi)星，最終完成冷啟動。需要完成以下工作：

1、剔除理論不可見衛(wèi)星

設某顆可見星為sv1，另一顆待檢驗衛(wèi)星為sv2，已知兩者在ecef(地心地固坐標系)中瞬時坐標，選取過sv1、sv2和地心三點的截面，如圖2所示。

圖中r表示地球平均半徑，h1、h2分別表示sv1、sv2距地心瞬時高度，α表示接收衛(wèi)星信號最小仰角，β表示假設臨界情況時sv1與sv2的夾角，βreal表示實際夾角，θ1、θ2均為中間參數(shù)。β由下式(1)得出：

如果βreal>β，則判斷sv2理論已不可見。

2、初始衛(wèi)星組的構建

初始衛(wèi)星組是根據(jù)一定準則選取的一組衛(wèi)星，在冷啟動的最初階段，用來找到第一顆可見星。初始衛(wèi)星組的構造方法直接影響到捕獲第一顆可見星的速度，對于整個冷啟動過程的耗時有著重要影響。

初始衛(wèi)星組的構建方法基于以下前提：

(1)理想情況下，以地心為體心，大致構成正四面體的四顆衛(wèi)星，更準確地說，是地心到衛(wèi)星連線之間的角度關系，與正四面體體心到頂點連線之間的角度關系相一致的四顆衛(wèi)星，其中必有一顆可見，并可以自然地推廣到正六面體、正八面體等；

(2)當一顆衛(wèi)星不可見時，地心到此衛(wèi)星連線的方向表征了受遮蔽的情況，其他衛(wèi)星的空間向量(地心到衛(wèi)星連線)與該方向夾角越小，則受遮蔽的可能性就越大；

初始衛(wèi)星組的構造方法如下：首先根據(jù)前提1找到四顆衛(wèi)星，它們在ecef中的空間向量分別與以下四個空間向量(1,1,1)、(1,-1,-1)、(-1,1,-1)、(-1,-1,1)的夾角最小，理想無遮蔽情況下，其中必有一顆可見。需要說明的是，這組空間向量只是符合正四面體角度關系的一例，也完全可以選擇另一組空間向量，只要滿足角度關系即可，但是為表達得更加清晰、具體，選擇這一組空間向量作為案例分析。如果這四顆衛(wèi)星都不可見，說明這四個方向受到遮蔽，根據(jù)前提2，之后選取的空間向量應盡可能避之。并結合前提1，按照以下四個空間向量(-1,-1,-1)、(-1,1,1)、(1,-1,1)、(1,1,-1)，搜索新的四顆衛(wèi)星。如果仍都不可見，則按以下六個空間向量搜索(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)、(-1,0,0)、(0,-1,0)、(0,0,-1)。如果仍都不可見，則按以下十二個空間向量搜索(0,1,1)、(0,1,-1)、(0,-1,1)、(0,-1,-1)、(1,0,1)、(1,0,-1)、(-1,0,1)、(-1,0,-1)、(1,1,0)、(1,-1,0)、(-1,1,0)、(-1,-1,0)。以此類推，新的空間向量盡可能避開舊的空間向量，并使用必要的數(shù)量以保證理想情況下必有一顆可見。在對這些衛(wèi)星搜索的過程中，一旦有某顆星可見，則退出第一階段，進入第二階段。第一階段的設計使得接收機可以盡快地搜索到第一顆可見星。上述一系列空間向量只是便于表述的一例，由此例共同旋轉一定角度而產(chǎn)生的新的一系列空間向量是等效的。

3、邊緣衛(wèi)星組的構建

邊緣衛(wèi)星組是一組根據(jù)第一顆可見星選取的一組衛(wèi)星，假設用戶正好處于其星下點，那么，用戶能夠搜索到的與第一顆衛(wèi)星方向夾角最大的或近似最大的一組(處于低仰角的一定范圍的)衛(wèi)星，稱之為邊緣衛(wèi)星組。其意義在于為第三階段確定可見星的最外圍輪廓做好準備。

邊緣衛(wèi)星組的構造方法如下：設第一顆可見星的星下點為位置p，選取在p當?shù)刈鴺讼抵械难鼋翘幱谝粋€特殊范圍內(nèi)的衛(wèi)星，作為邊緣衛(wèi)星組。這個范圍的下限是接受衛(wèi)星信號的最小仰角，上限是在最小仰角基礎上加20度(僅作舉例，可適當調(diào)整)。設仰角下限為α1，上限為α2，待檢驗衛(wèi)星距地心高度為h，地球平均半徑為r，第一顆可見星為sv1，待檢驗衛(wèi)星為sv2，βreal表示實際夾角，如何確定sv2是否屬于邊緣衛(wèi)星組，如圖3所示。

圖中β1、β2分別表示sv1與sv2的夾角上限與下限，由下式(2)得出：

如果β2<βreal<β1，則選取sv2進入邊緣衛(wèi)星組。

4、外延、內(nèi)縮搜索

在獲得邊緣衛(wèi)星組搜索結果的基礎上，如果某顆邊緣衛(wèi)星可見，該衛(wèi)星將大幅地縮小剩余衛(wèi)星的范圍。為進一步縮小剩余衛(wèi)星的范圍，則應沿著第一顆可見星到該衛(wèi)星的連線方向，搜索更外圍的衛(wèi)星，直到搜索結果為不可見，這就是外延搜索；如果某顆邊緣衛(wèi)星不可見，該衛(wèi)星并不能縮小剩余衛(wèi)星的范圍，為找到其附近的可見星，則應沿著該衛(wèi)星到第一顆可見星的連線方向，搜索更內(nèi)部的衛(wèi)星，直到搜索結果為可見，這就是內(nèi)縮搜索。為盡快縮小剩余衛(wèi)星范圍，顯然，應先進行外延搜索，再進行內(nèi)縮搜索。

外延、內(nèi)縮搜索的具體實現(xiàn)如下：首先求得第一顆可見星到所有剩余的理論仍可見衛(wèi)星的空間向量，記為di。設某個可見的邊緣衛(wèi)星為sv3，對應d3，其他衛(wèi)星按各自的di與d3的夾角排序構建升序表(忽略|di|<|d3|的衛(wèi)星)，外延搜索這些衛(wèi)星直到搜索結果為不可見，然后取下一顆邊緣衛(wèi)星為參考，重復以上過程。之后，設某個不可見的邊緣衛(wèi)星為sv4，對應d4，其他衛(wèi)星按各自的di與d4的夾角升序排序，并忽略|di|>|d4|的衛(wèi)星，內(nèi)縮搜索這些衛(wèi)星直到搜索結果為可見，然后取下一顆邊緣衛(wèi)星為參考，重復以上過程。

5、搜索剩余衛(wèi)星

搜索剩余衛(wèi)星，完成冷啟動。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。